Conexiones_Transformadores_de_alta_tension.pdf

PRINCIPALES CONEXIONES DE LOS TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN. Definiremos al transformador de distribución como una máquina eléctrica estática que reduce la tensión eléctrica del sistema de distribución primario. Dependiendo de las condiciones y requerimientos de la instalación eléctrica que se haya proyectado, un transformador se puede conectar de distintas formas, el tamaño físico de los transformadores está determinado por la potencia que manejan. En el caso de los transformadores monofásicos, hay distintas formas de conectarlos a la fuente de alimentación eléctrica y a la carga del sistema proyectado, dos o más transformadores se pueden conectar en distintas formas para cumplir con los distintos y particulares requerimientos de cada proyecto específico. Debemos recordar que un transformador eléctrico de distribución funciona con corriente alterna, por esa razón los transformadores no pueden tener polaridad fija en sus terminales. La dirección relativa entre los embobinados primario y secundario de un transformador alrededor del núcleo, determina la dirección relativa del voltaje a través de los mismos embobinados.

Componentes de un transformador de alta tensión. Un transformador eléctrico es una máquina estática ya que no existe movimiento mecánico entre sus componentes y es una de las más eficientes puesto que su rendimiento está por encima del 95% en la mayoría de de los casos. Un transformador de alta tensión por lo general está compuesto por los siguientes componentes: 1. Núcleo magnético: Éste está compuesto por delgadas láminas de acero que contienen pequeñas cantidades de silicio, para alcanzar los más altos rendimientos ferromagnéticos (utiliza alrededor de un 4% de silicio). Estas láminas de acero al silicio tienen como característica principal el aumentar la resistividad del material y esto disminuye las pérdidas por histéresis y por corrientes circulares dentro del núcleo. 2. Bobinados o devanados para transformadores: Es importante hacer notar que existen muchos tipos de transformadores para casos muy específicos pero para los alcances de este texto sólo se tomarán en cuenta los transformadores de distribución, teniendo como característica principal las grandes diferencias entre los voltajes del primario con relación al secundario. Por ejemplo en nuestro medio es muy común tener un voltaje en red de distribución de 13200 voltios (voltaje del primario o de alta tensión) y el voltaje utilizado por la mayoría de máquinas y equipos es de 220/120 voltios (voltaje del secundario o baja tensión). Como se puede ver en el ejemplo anterior los devanados de un transformador se dividen en: Devanado secundario: Por lo general se construyen de una sóla espira o bobina de alambre rectangular aislado por lo general con papel, pero también se puede utilizar conductores de sección circular, en este caso se utiliza muy extensamente aislamientos de algodón o papel. Es raro encontrar conductores con aislamiento de esmalte a excepción de los que son enfriados con aceite.

Devanado primario: Este devanado está compuesto en comparación del secundario de muchas bobinas de alambre con una sección menor, puesto que manejan una corriente menor que en el secundario y por lo regular están construidas de alambre de sección circular. Hay básicamente dos tipos de construcción de los devanados primarios uno de ellos es el llamado ”Tipo bobina” que está formado de varias capas de conductores, teniendo estas bobinas forma discoidal y se conectan por lo general en serie para obtener la cantidad de bobinas o espiras deseadas. El otro tipo de devanado es llamado “De capas” y está constituido por una sóla bobina de varias capas, siendo esta bobina equivalente a las varias bobinas discoidales. En general antes de montar los devanados, estos deben llevar una aplicación de barniz y ser secados al horno, con el fin de obtener consistencia mecánica. Para la fabricación de los devanados de un transformador se utiliza principalmente conductores de cobre aunque se está en la actualidad utilizando conductores de aluminio. 3. Aislamiento externo de los devanados: Los devanados del primario y el secundario deben estar aislados entre si y también del núcleo del transformador, un buen aislamiento lo proporcionan materiales tales como: la madera, papel, la baquelita y otros similares que a su vez deben cumplir con funciones refrigerantes. 4. Cambiador de derivación (TAPS): Este elemento sirve para ajustar las variantes de tensión que existen en una red de distribución eléctrica, estas variantes se producen debido a que la caída de tensión depende de la distancia del punto de alimentación y a la potencia instalada.

Fig. E 2.23: a) Cambiador de derivaciones (Taps) sin carga tipo distribución. b) Diagrama de conexión del cambiador de derivaciones. (Tomado de “El ABC de las Máquinas Eléctricas, Transformadores”; Editorial Limusa)

De tal manera que este elemento puede aumentar o disminuir el número de espiras del bobinado de alta tensión y como consecuencia variar la relación de transformación aumentando o diminuyendo el voltaje en el secundario del transformador dentro de límites establecidos que normalmente son del 5%. 5. Boquillas o terminales: Se llama así a las terminales externas de conexión de los transformadores, si se conectan al devanado primario se les denomina “Boquillas o terminales de alta tensión” cuando se utilizan transformadores del tipo convencional se tienen dos boquillas para conectar la alta tensión denominadas H1 y H2 vistas de izquierda a derecha del lado donde se encuentran las “Boquillas o Terminales de Baja Tensión” o H1, H2 y H3. Cuando se trata de un transformador trifásico y se tienen tres boquillas de baja tensión denominadas X1, X2 y X3 vistas de izquierda a derecha del lado donde se encuentran las boquillas de baja si la polaridad del transformador es sustractiva y X3, X2 y X1 vistas de izquierda a derecha del lado donde se encuentran las boquillas de baja si la polaridad del transformador es aditiva. La boquilla X2 se le denomina también boquilla de neutro y en muchos casos es una tuerca que se conecta a la pared del tanque proporcionando un medio de fijación a tierra del tanque del transformador. Se construyen por lo general de porcelana o vidrio y poseen una mordaza metálica para fijar los conductores. Su tamaño y distanciamiento varia dependiendo del voltaje y potencia que maneje el transformador. (ver figura E 2.24) 6. Aceite dieléctrico: Se utiliza como refrigerante y a la vez como aislante eléctrico. En algunos transformadores con pequeñas capacidades y voltajes de primario no se utilizan aceite como refrigerante, en este caso se dice que el transformador es del tipo seco. 7. Tanque: Llamado también en algunos lugares cuba, es el recipiente que contiene todas las partes del transformador, ésta por lo general construido de acero con un recubrimiento de una o varias capas de pintura que tiene propiedades aislantes eléctricas y no fácilmente es inflamable. Aunque existen muchas otras partes de transformadores que dependen de tipos especiales de enfriamientos o de algunas otras aplicaciones especificas las anteriormente enumeradas son las básicas y más comunes en todos.

Polaridad en un transformador monofásico En un transformador monofásico de alta tensión del tipo convencional, dependiendo de la colocación relativa entre los embobinados o devanados primario y secundario podrá ser de polaridad aditiva o de polaridad sustractiva. La forma más común de saber que tipo de polaridad es la de un transformador, se deben marcar los conductores como se muestra en la figura E 2.24. Si los embobinados de los lados de alto y bajo voltaje están en direcciones opuestas, los voltajes aplicados en la bobina de alta tensión e inducido en la bobina de baja tensión, tendrán direcciones opuestas y se dice que el transformador tiene "polaridad sustractiva". Las terminales H1 y X1 estarán del lado izquierdo cuando se observa físicamente al

transformador desde la par e donde están las terminales de bajo voltaje hacia la parte donde están las terminales de alto voltaje.

Primario Polaridad Sustractiva

Polaridad

Primario Secundario Polaridad aditiva

Polaridad Secundario

Fig. E 2.24 Forma de marcado de terminales para la eterminación de la polaridad. (Tomado de “El ABC de las Má quinas Eléctricas, Transformador s”; Editorial Limusa) Si los embobinados devanados de alto y bajo voltaje están en la misma dirección relativa de construcción, lo s voltajes aplicados en la bobina de alta tens ión e inducido en la bobina de baja tensión, te drán la misma dirección y por lo tanto el transformador tiene "polaridad aditiva". La te rminal X1 se encontrará del lado derecho cuando se observa físicamente al transformador desde la parte donde están las boquillas terminales de bajo voltaje. Al final solo sal n del transformador tres puntos de conex ión en baja tensión conectándose internamente las cuatro puntas, mostradas en la figura E .24 según el diseño y los fines específicos de c da instalación como se verá más adelante.

Conexión de los transfor adores monofásicos: Las conexiones, de las bobinas de los devanados primario y sec undario, se arreglan en dos secciones, cada sec ción de una bobina tiene el mismo número de espiras, y por lo tanto, genera el mismo v ltaje, las dos primeras secciones se cone ctan por lo general  juntas, dentro del tanque y únicamente dos son llevadas al exterior de l tanque a través de las boquillas, las cuales las aíslan de la tapa y el tanque.

Tres distintas formas de conexión se muestran en la figura E 2.25 estas conexiones se pueden utilizar para voltajes de distribución primaria de 34.5 kV ó 13.8 kV (entre dos fases de primario) y de 19.9 kV ó 7.62 kV (con conexión a una fase de primario y tierra).

Fig. E 2.25 Distintas formas de conexión y voltajes del secundario para transformadores de distribución convencionales para voltajes de primario de 34.5 kV. ó 13.8 kV. y 19.9 kV ó 7.62 kV. con conexión a tierra. (Tomado de “Curso de Transformadores y Motores Trifásicos de Inducción”; Editorial Limusa) Sistemas polifásicos Cuando hablamos de corriente alterna existen dos tipos de circuitos: los circuitos monofásicos y los circuitos polifásicos, los más comunes dentro de los polifásicos son los trifásicos (por el alcance de este trabajo sólo se estudiarán los trifásicos). En los circuitos monofásicos sólo una fase o conjunto de voltajes de onda de forma senoidal se aplican a los circuitos y únicamente en una fase circula corriente senoidal. Cuando se utiliza un circuito polifásico se aplican dos o más voltajes senoidales, desfasados entre sí, a las diferentes partes del circuito y circulan en las mismas partes las correspondientes corrientes senoidales. A cada alimentación del sistema trifásico se le conoce como "fase" y en algunos casos se denominan fase A, fase B y fase C y en la misma forma se designan los voltajes indicando "voltajes de la fase A", "voltaje de la fase B" y

“voltaje de la fase C” y las corrientes,. corriente de la fase A, corriente de la fase B y corriente de la fase C. Recuerde que ésta es una asignación arbitraria y en algunas otras normas puede tomar distintos nombres. Los voltajes aplicados a un sistema trifásico se obtienen de una fuente de suministro trifásica, también, de manera que cada fase está siempre separada. Los métodos más comunes de conectar los devanados de una máquina eléctrica trifásica son en delta o triángulo y en estrella o “Y”.

(a)

(b)

Fig. E 2.26 Se muestran los devanados conectados en: a)Conexión Delta. y b) Conexión Estrella. Se puede observar que en tanto los voltajes en las terminales A, B y C, son los mismos para conexiones delta y estrella. (Tomado de “El ABC de las Máquinas Eléctricas, Transformadores”; Editorial Limusa) Conexión trifásica de transformadores monofásicos del tipo convencional: Estas conexiones se realizan actualmente con transformadores monofásicos en conexión trifásica o por medio de transformadores trifásicos. Los métodos de conexión de los devanados para la conexión trifásica son los mismos, ya sea que se usen tres devanados en un transformador trifásico, o bien tres transformadores monofásicos por separado, en conexión trifásica. Las conexiones trifásicas más comunes son las denominadas delta y estrella:

Conexión delta-delta. Se le denomina de esta manera puesto que los embobinados del primario están conectados en delta y los del secundario de los transformadores también lo están. Es usada con frecuencia para alimentar a la vez cargas pequeñas de alumbrado y cargas trifásicas simultáneamente. Para esto se puede localizar una derivación en el punto medio del devanado secundario de uno de los transformadores, conectándose a tierra y conectandose también al neutro del secundario de esta manera, las cargas monofásicas se conectan entre

los conductores de fase y neutro, por lo tanto, el transformador con la derivación en el punto medio toma dos terceras partes de la carga monofásica y una tercera parte de la carga trifásica, los otros dos transformadores, cada uno toma un tercio de las cargas monofásicas y trifásica. Para cargar el banco trifásico en forma balanceada, se deben tener las condiciones siguientes: 1. Los tres transformadores deben tener la misma relación de transformación. 2. Los devanados de los tres transformadores deben tener el mismo valor de impedancia. 3. Los tap o derivaciones de los tres transformadores deben estar conectados en forma idéntica. Línea de distribución primaria de 34.5 ó 13.8 KV.

Fig. E 2.27 Conexión trifásica delta – delta indicando voltajes del primario como del secundario. (Tomado de “El ABC de las Máquinas Eléctricas, Transformadores”; Editorial Limusa)

Conexión delta abierta-delta abierta: LíneaLade conexión neutro

delta abierta – delta abierta es una variación de la conexión Delta – Delta. Cuando uno de los transformadores de la conexión Delta – Delta se daña o se retira de servicio, los otros dos pueden continuar operando en la llamada conexión "delta-abierta" o "V". Con esta conexión se suministra aproximadamente el 58% de la potencia que

entrega un banco en conexión delta-delta. La conexión delta abierta, se usa normalmente para condiciones de emergencia, cuando en una conexión delta-delta uno de los transformadores del banco se desconecta por alguna razón. En forma similar a la conexión delta-delta, del punto medio del secundario de uno de los transformadores se puede tomar una derivación para alimentar pequeñas cargas de alumbrado ó bien otros tipos de cargas.

Línea de distribución primaria de 34.5 ó 13.8 KV.

Línea de neutro

Fig. E 2.28 Conexión trifásica de tres transformadores en delta abierta – delta abierta indicando voltajes del primario como del secundario. Observese que el primer transformador no está conectado. . (Tomado de “El ABC de las Máquinas Eléctricas, Transformadores”; Editorial Limusa)

La conexión delta abierta cuando se usa en forma permanente permite usar dos transformadores de diferente potencia, ya que los dos transformadores no necesitan tener la misma impedancia. Esta conexión está diseñada para suministrar 240 voltios en monofásico y se pueden conectar pequeñas cargas trifásicas, esta conexión es bastante ineficiente cuando se utiliza tres fases de carga, se puede contar únicamente con un 86.6 % de la potencia efectiva del banco de transformadores.

Línea de distri ución primaria trifásica de 34.5 ó 13.8 kV.

Fig. E 2.29 C nexión trifásica de dos transformadores en elta abierta – delta abierta indican o voltajes del primario como del secundar io. (Tomado de “El ABC de las Máquinas Eléctricas, Transformadores”; Editori al Limusa)

Conexión delta-estrella: Esta conexión se utili za para alimentar en forma combinada, carg s trifásicas y cargas monofásicas en donde la s cargas monofásicas son comparativame nte grandes. Los bobinados secundarios p eden tener una derivación, para obtener valores de voltaje distintos, cuando se utiliz n transformadores de una potencia elevada , la conexión deltaestrella, se usa frecuente ente para elevar voltaje, como por ejem lo en las centrales eléctricas. Esta conexión permite la facilidad de disponer de un neu ro para conexión a tierra que es muy útil en istemas multiaterrizados. La línea neutra d l primario debe ser firmemente conectada al s istema neutral; para evitar desarrollar exce sivos voltajes en el secundario. Cuando se co ectan en paralelo transformadores trifásico en conexión deltaestrella, se debe tomar en uenta el desplazamiento angular entre la del a y la estrella.

Línea de distribución primaria de 34.5 ó 13.8 kV.

Fig. E 2.30 Conexión trifásica en delta – estrella indicando voltajes del primario como del secundario. (Tomado de “El ABC de las Máquinas Eléctricas, Transformadores”; Editorial Limusa)

Conexión estrella-delta: Frecuentemente se utiliza para alimentar grandes cargas trifásicas de alimentación conectado en estrella. Presenta el problema de que no dispone de neutro, dificultando alimentar cargas monofásicas y trifásicas en forma simultánea; a excepción que para esto se pueda localizar una derivación en el punto medio del devanado secundario de uno de los transformadores, conectándose a tierra y se conecta también al neutro del secundario. Por otra parte, tiene la ventaja relativa de que la impedancia de los tres transformadores no necesita ser la misma en esta conexión. Las relaciones entre corrientes y voltajes de fase de línea a línea para la conexión estrella delta, son las mismas que se tienen en la conexión delta-estrella.

Línea e distribución primaria de 34.5 ó 13.8 kV.

Fig. E 2.31 Conexión trifásica en estrella - delta indica do voltajes del primario como del secundario. (Tomado de “El ABC de l s Máquinas Eléctricas, Transform dores”; Editorial Limusa) Conexión estrella-estrella: Es una conexión uy utilizada cuando se requiere alimen ar grandes cargas monofásicas en forma sim ltánea con cargas trifásicas. También se usa sólo si el neutro del primario se puede conecta sólidamente al neutro de la fuente de alim ntación ya sea con un neutro común o a travé de tierra. En comparación con el sistema elta – delta cuando uno de los transformadores falla por cualquier motivo, el sistema se vue lve inoperante hasta que se remplaza el transfor mador con la falla. Se debe tener cuida o de que los neutros de la conexión de ba a tensión y de alta tensión estén firmemente unidos, puesto que si no se unen, el voltaj e de línea a neutro tiende a distorsionarse pro uciendo una onda no senoidal. La conexió estrella-estrella, se puede usar también sin co ectar los neutros entre sí, siempre y cuando cada transformador tenga un tercer devanado ue se conoce como "devanado terciario. E l devanado terciario deberá estar siempre conec ado en delta.

Línea de distribución primaria de 34.5 ó 13.8 kV.

Fig. E 2.32 Conexión trifásica en estrella – estrella indicando voltajes del primario como del secundario. (Tomado de “El ABC de las Máquinas Eléctricas, Transformadores”; Editorial Limusa) Transformadores trifásicos: Generalmente se le llama así a un banco formado por tres transformadores monofásicos, se puede reemplazar por un transformador trifásico. Estos transformadores trifásicos, tienen un núcleo magnético con tres piernas, en donde se alojan los devanados primario y secundario de cada una de las fases. Los devanados están conectados en el interior de los transformadores, en forma similar a los bancos de transformadores monofásicos, puesto que la disposición relativa de los devanados es la misma que como si fueran transformadores monofásicos se pueden conectar internamente en cualquiera de las conexiones trifásicas, es decir, estrella-delta, delta abierta, etc. Un transformador trifásico es siempre de menor tamaño y más barato que un banco formado por tres transformadores monofásicos con una capacidad equivalente. En la mayoría de las veces se prefiere el uso de bancos de transformadores monofásicos, especialmente cuando por mantenimiento y confiabilidad resulta importante la facilidad para reemplazar a una de las unidades.

Figura E 2.33: Partes de un transformador trifásico. (Tom ado de “El ABC de las Máquinas Eléctricas, Transformadores”; Editorial Limus a) Transformadores  autopr tegidos: Son una variedad de transformadores monofásicos los cuales tie en la característica de contar con una sola boq uilla de alta tensión, la otra está conectada a tierra a través de la boquilla del neutro en el se undario, es decir las tensiones de trabajo so iguales a las de los transformadores convencio nales si trabajaran con una fase y tierra o ne tro (Por ejemplo en nuestro medio son muy tilizados voltajes de distribución de 19.9 ó 7.62 kV para la conexión de este tipo de u idades), otra característica importante es qu e traen incorporado un pararrayos por lo cual n o se hace necesario para su instalación más q ue un cortacircuitos y fusible. Es comúnmente utili ado para sistemas monofásicos.

Conexión de transformadores en paralelo: Muchas veces se des más comunes están relaci demanda, cuando se exced ya en operación. Para con su operación, se deben obs

a conectar transformadores en paralelo por istintas razones, las nadas con problemas de confiabilidad y d e incremento en la o se está a punto de exceder la capacidad e un transformador ctar correctamente los transformadores en aralelo y garantizar rvar las siguientes condiciones:

1. Los voltajes primarios secundarios deben ser idénticos en cada uni dad. 2. Los devanados deberá tener el mismo valor de impedancia (Resistencia creada por la

reactancia inductiva del transformador y la resistencia del material) expresado en porcentaje o por unidad. 3. La polaridad de los transformadores debe ser la misma.

INSTRUCCIONES Y PREGUNTAS: 1. Realice un diagrama y especifique el tipo de conexión que tienen los tres bancos de transformadores que alimentan el Centro Universitario de Occidente, indique la potencia y los voltajes de los bancos de transformadores. 2. Explique las razones por las cuales los bancos de transformadores del punto anterior tienen ese tipo de conexión. 3. ¿Cuál es el principio de funcionamiento de un transformador autotransformador? 4. ¿Qué es un transformador de medición? 5. ¿Cuáles son las características básicas del aceite dieléctrico utilizado en los transformadores de alta tensión? 6. ¿Cuáles son las características de un transformador seco de alta tensión? 7. ¿Qué es y cómo se conecta un pararrayos en un banco de transformadores? 8. ¿Qué es un fusible de caña?